用于生產(chǎn)硅的單晶體的設(shè)備和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明提供了一種用于生產(chǎn)硅的單晶體的設(shè)備和方法，利用其可以加工做為原材料的顆粒狀硅以產(chǎn)生單晶體。該設(shè)備包括具有中央開(kāi)口及從中央開(kāi)口指向下的管的板、用于計(jì)量至板上的顆粒狀硅的裝置、設(shè)置在板上方的第一感應(yīng)加熱線圈和設(shè)置在板下面的第二感應(yīng)加熱線圈。
【背景技術(shù)】
[0002]US2003145781 Al和US2011185963 Al描述了具有上述特征的設(shè)備，以及使用這種設(shè)備來(lái)生產(chǎn)單晶體的方法。首先，使管的下端靠近固態(tài)的硅，并且借助于第二感應(yīng)加熱線圈加熱該管，以便在封閉的管的下端形成液態(tài)硅。隨后，使單晶的籽晶與液態(tài)硅接觸，轉(zhuǎn)動(dòng)并降下，并且同時(shí)從管的下端熔化進(jìn)一步的硅。當(dāng)降下籽晶時(shí)，液態(tài)硅在籽晶上結(jié)晶。在被稱為頸縮并且起到使結(jié)晶部分脫位至其表面目的的階段之后，最后出現(xiàn)了生長(zhǎng)的單晶體。在生長(zhǎng)晶體的頂端處，存在支持單晶體進(jìn)一步生長(zhǎng)的小體積的熔化硅。生長(zhǎng)單晶體的熔化體積和直徑在進(jìn)一步的階段不斷地增大直到已經(jīng)達(dá)到目標(biāo)直徑。此后，允許單晶體按大致圓柱形方式生長(zhǎng)，以便在稍后階段進(jìn)一步處理已經(jīng)圓柱形地生長(zhǎng)的那部分以給出半導(dǎo)體晶片。在已經(jīng)熔化了封閉管的下端的固態(tài)硅之后，進(jìn)一步提供了生長(zhǎng)單晶體所需的液態(tài)硅。為了該目的，將顆粒狀硅沉積到板上并借助于第一感應(yīng)加熱線圈來(lái)熔化并且同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)該板。將液態(tài)硅從板的頂側(cè)傳送至板的中央開(kāi)口處并且在生長(zhǎng)單晶體時(shí)穿過(guò)管到達(dá)熔化處。
[0003]US2003145781 Al提出了將由石英制成的器皿或者由硅制成的板用作該板，并且在該板的頂側(cè)上提供了隆起，這形成了通道以便將用于熔化硅的流動(dòng)路徑延伸至中央開(kāi)口。流動(dòng)路徑的延伸被認(rèn)為在固態(tài)硅到達(dá)生長(zhǎng)單晶體之前促進(jìn)了來(lái)源于顆粒狀硅的固態(tài)硅的完全熔化。如果沒(méi)有這種通道，則建議通過(guò)第一感應(yīng)加熱線圈的作用在板的頂側(cè)上、在中央開(kāi)口的部位中安設(shè)固態(tài)硅的障礙部。如此選擇該障礙部的高度，即，使顆粒狀硅不能越過(guò)該障礙部，除非其已經(jīng)被完全熔化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，由硅制成的板的頂側(cè)通過(guò)第一感應(yīng)加熱線圈的作用被更改至如此程度，即，該板用于生產(chǎn)進(jìn)一步的單晶體的用途不是僅在大量重新調(diào)整之后才有的選擇或者是可能的。另外，發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用由石英制成的板時(shí)，減損了液態(tài)硅從頂側(cè)的外邊緣的部位至頂側(cè)的內(nèi)邊緣的傳送，甚至當(dāng)沒(méi)有延長(zhǎng)流動(dòng)路程的通道時(shí)。
[0005]本發(fā)明的目的是使板能有簡(jiǎn)單的重復(fù)使用性并且利于液態(tài)硅從板的頂側(cè)外邊緣至板的頂側(cè)內(nèi)邊緣的傳送。
[0006]該目的通過(guò)一種用于生產(chǎn)硅的單晶體的設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)，包括
[0007]板，其具有帶外邊緣和內(nèi)邊緣的頂側(cè)、鄰接內(nèi)邊緣的中央開(kāi)口和從中央開(kāi)口延伸到板的底側(cè)下面的管；
[0008]用于計(jì)量至板的頂側(cè)上的顆粒狀硅的裝置；
[0009]第一感應(yīng)加熱線圈，其設(shè)置在板的上方并且提供來(lái)用于熔化沉積的顆粒狀硅；
[0010]第二感應(yīng)加熱線圈，其設(shè)置在板的下面并且提供來(lái)用于穩(wěn)定硅的熔體，在生長(zhǎng)硅的單晶體時(shí)出現(xiàn)熔體，其中板的頂側(cè)是由陶瓷材料構(gòu)成的并且具有隆起，相鄰的隆起的中間部之間在徑向方向上的距離不小于2mm并且不大于15mm。
[0011]本發(fā)明還提供了一種用于生產(chǎn)硅的單晶體的方法，包括
[0012]提供上述設(shè)備；
[0013]將顆粒狀硅沉積到板的頂側(cè)上、在頂側(cè)的外邊緣的部位中而同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)所述板；
[0014]熔化顆粒狀的硅，并且使熔化的硅經(jīng)過(guò)隆起、通過(guò)板中的中央開(kāi)口并且通過(guò)管直到在生長(zhǎng)硅的單晶體時(shí)其為熔體。
[0015]板和管優(yōu)選制成單一件。板的頂側(cè)由陶瓷材料構(gòu)成，陶瓷材料在接觸液態(tài)硅時(shí)是熱穩(wěn)定的并且以外來(lái)物質(zhì)污染液態(tài)硅至最小程度。板和管可以由涂覆有陶瓷材料的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)構(gòu)成。板和管也可以完全由陶瓷材料構(gòu)成。用于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的可能材料是能涂覆有陶瓷材料的高熱穩(wěn)定性的抗斷裂材料，例如，金屬和碳。特別優(yōu)選的是，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是由碳制成的。陶瓷材料優(yōu)選是例如氧化鋁(Al2O3)、氮化硼(BN)、六硼化鑭(LaB6)、碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、氧化釔(Y2O3)、氧化鋯(ZrO2)或者石英(S12)。特別優(yōu)選的是碳化硅。
[0016]因?yàn)槁∑?，所以板的頂?cè)不是平坦的而是結(jié)構(gòu)化的。隆起之間是凹部，優(yōu)選是閉合的凹部。閉合凹部是板的表面上完全被隆起包圍的區(qū)域。存在于凹部之一中的液態(tài)硅形成了由隆起圍住的池。這種隆起分布在板的頂側(cè)的外邊緣與內(nèi)邊緣之間。凹部可以具有例如環(huán)形、正方形、矩形、螺旋形或者菱形形狀的外形。優(yōu)選是，在板的外邊緣處的凹部與徑向地靠近板中的中央開(kāi)口的凹部之間存在梯度。該梯度具有優(yōu)選不小于1°并且不大于15°、更優(yōu)選不小于1°并且不大于5°的傾斜角度。因此，液態(tài)硅具有從板的外邊緣流向板中的中央開(kāi)口的傾向。
[0017]發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，隆起是合適的，以便促進(jìn)液態(tài)硅從板的頂側(cè)的外邊緣至板的頂側(cè)的內(nèi)邊緣的傳送。如果沒(méi)有隆起，則減損了液態(tài)硅至中央開(kāi)口的傳送。其原因是液態(tài)硅對(duì)陶瓷材料的中等可潤(rùn)濕性。在缺少隆起的板上，形成了緩慢移動(dòng)的液態(tài)硅島，這僅少量地濕潤(rùn)了板的頂側(cè)并且?guī)缀跷达@示出流向中央開(kāi)口的任何傾向。
[0018]根據(jù)本發(fā)明提議的在板的頂側(cè)上有隆起的構(gòu)造結(jié)果在熔化沉積的顆粒狀硅的過(guò)程中在凹部中形成了液態(tài)硅池。隨著時(shí)間的推移，這種池的體積增大，直到隆起不能再將液態(tài)硅保持在凹部中，并且池溢出。溢出的液態(tài)硅不會(huì)顯示出形成島的任何傾向并且最后流過(guò)隆起至板中的中央開(kāi)口。在此過(guò)程中，溢出的液態(tài)硅結(jié)合并覆蓋板的頂側(cè)的較大區(qū)域。
[0019]凹部底與界定出凹部的隆起的最高點(diǎn)之間的高度差優(yōu)選不小于0.1mm并且不大于5mm，更優(yōu)選不小于0.5mm并且不大于3mm。為了使液態(tài)硅能在隆起上進(jìn)行質(zhì)量轉(zhuǎn)移，相鄰隆起的中間部之間在徑向方向上的距離不小于2mm并且不大于15mm，優(yōu)選不小于3mm并且不大于6臟。
[0020]本發(fā)明的設(shè)備具有可以省去冷卻裝置的額外優(yōu)點(diǎn)，如果板由硅構(gòu)成，則需要冷卻裝置以便冷卻該板。本發(fā)明的設(shè)備不需要任何這種冷卻裝置。
[0021]在本發(fā)明的特別優(yōu)選的實(shí)施例中，當(dāng)從上方觀察時(shí)，隆起和凹部形成了圍繞中央開(kāi)口同心地設(shè)置的環(huán)。另外，隆起和凹部可以還出現(xiàn)在管的內(nèi)表面上。
[0022]板的頂側(cè)的外邊緣可以被壁圍繞，并且由于該原因，該板可以被稱為盤(pán)。
【附圖說(shuō)明】
[0023]以下參照附圖來(lái)闡明本發(fā)明。
[0024]圖1顯示了用于生產(chǎn)硅的單晶體的本發(fā)明設(shè)備的特別優(yōu)選實(shí)施例的剖視圖。
圖2顯示了從上方觀察的具有相對(duì)于中央開(kāi)口同心的環(huán)形的隆起和凹部的板。
【具體實(shí)施方式】
[0025]根據(jù)圖1的設(shè)備包括板I，該板I有頂側(cè)2，該頂側(cè)2具有外邊緣3和內(nèi)邊緣4。在板的中間是鄰接內(nèi)邊緣的中央開(kāi)口，和從中央開(kāi)口延伸到板的底側(cè)6下面的管5。該設(shè)備還包括設(shè)置在板上方的第一感應(yīng)加熱線圈7和設(shè)置在板下面的第二感應(yīng)加熱線圈8。第一感應(yīng)加熱線圈7用來(lái)熔化顆粒狀的硅，并且較低的感應(yīng)加熱線圈8在生長(zhǎng)硅的單晶體10時(shí)穩(wěn)定現(xiàn)有硅的熔體9。借助于計(jì)量裝置12穿過(guò)第一感應(yīng)加熱線圈7將顆粒狀的硅11施加到(例如，播散)到板的頂側(cè)。優(yōu)選按如此方式供應(yīng)，即，其首先在靠近外邊緣的外部區(qū)域中與板的頂側(cè)接觸。
[0026]板的頂側(cè)由陶瓷材料(優(yōu)選是，碳化硅)構(gòu)成并且具有界定出閉合的凹部14的隆起13。當(dāng)從上方觀察時(shí)，隆起13和閉合的凹部14形成了環(huán)，所述環(huán)相對(duì)于中央開(kāi)口同心地設(shè)置并且從板的頂側(cè)的外邊緣延伸至內(nèi)邊緣并還出現(xiàn)在管的內(nèi)表面上。
[0027]圖2顯示了從上方觀察的具有相對(duì)于中央開(kāi)口同心的環(huán)形的隆起13和凹部14的板I。相鄰隆起的中間部之間在徑向方向上的距離D不小于2mm并且不大于15mm。板I的頂側(cè)2上施加顆粒狀硅的部位B具有例如由雙箭頭指示的徑向位置和寬度。
[0028]實(shí)例和對(duì)比實(shí)例:
[0029]為了生產(chǎn)硅的單晶體，提供兩種不同的設(shè)備。僅有的差別是，對(duì)于按非本發(fā)明方式生產(chǎn)，使用一種其頂側(cè)上沒(méi)有隆起的板的設(shè)備。對(duì)于按本發(fā)明方式生產(chǎn)，使用一種具有根據(jù)圖2的板的本發(fā)明設(shè)備，該板具有出現(xiàn)在其頂側(cè)的同心的環(huán)形隆起。
[0030]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用具有平滑的非結(jié)構(gòu)化表面的板時(shí)，由于形成了緩慢移動(dòng)的液態(tài)硅的島而顯著減損了液態(tài)硅的質(zhì)量轉(zhuǎn)移。當(dāng)使用本發(fā)明的設(shè)備時(shí)不會(huì)出現(xiàn)該缺點(diǎn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于生產(chǎn)硅的單晶體的設(shè)備，包括 板，其具有帶外邊緣和內(nèi)邊緣的頂側(cè)、鄰接該內(nèi)邊緣的中央開(kāi)口和從該中央開(kāi)口延伸到該板的底側(cè)下面的管； 用于計(jì)量至該板的頂側(cè)上的顆粒狀硅的裝置； 第一感應(yīng)加熱線圈，其設(shè)置在該板的上方并且提供來(lái)用于熔化沉積的顆粒狀硅； 第二感應(yīng)加熱線圈，其設(shè)置在該板的下面并且提供來(lái)用于穩(wěn)定硅的熔體，該熔體在生長(zhǎng)硅的單晶體時(shí)出現(xiàn)，其中該板的頂側(cè)是由陶瓷材料構(gòu)成的并且具有隆起，相鄰隆起的中間部之間在徑向方向上的距離不小于2mm并且不大于15mm。2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中該陶瓷材料從一組中選擇，該組包括氧化鋁、氮化硼、六硼化鑭、碳化硅、氮化硅、氧化鉭、氧化釔、氧化鋯和石英。3.如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中該隆起圍繞該中央開(kāi)口同心地設(shè)置。4.如權(quán)利要求1到3中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中該板的頂側(cè)的外邊緣由壁圍繞。5.一種用于生產(chǎn)硅的單晶體的方法，包括 提供如權(quán)利要求1到4中任一項(xiàng)所述的設(shè)備； 將顆粒狀的硅沉積到該板的頂側(cè)、在該頂側(cè)的外邊緣的部位中而同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)該板； 熔化該顆粒狀的硅，并且使熔化的硅經(jīng)過(guò)該隆起、通過(guò)該板中的中央開(kāi)口并且穿過(guò)該管直到在生長(zhǎng)硅的單晶體時(shí)其為熔體。
【專利摘要】一種用于生產(chǎn)硅的單晶體的設(shè)備和方法。該設(shè)備包括板，該板具有帶外邊緣和內(nèi)邊緣的頂側(cè)、鄰接內(nèi)邊緣的中央開(kāi)口和從中央開(kāi)口延伸到板的底側(cè)下面的管；用于計(jì)量至板的頂側(cè)上的顆粒狀硅的裝置；第一感應(yīng)加熱線圈，其設(shè)置在板的上方并且提供來(lái)用于熔化沉積的顆粒狀硅；第二感應(yīng)加熱線圈，其設(shè)置在板的下面并且提供來(lái)用于穩(wěn)定硅的熔體，在生長(zhǎng)硅的單晶體時(shí)出現(xiàn)熔體。該設(shè)備的特征在于，板的頂側(cè)是由陶瓷材料構(gòu)成的并且具有隆起，相鄰的隆起的中間部之間在徑向方向上的距離不小于2mm并且不大于15mm。
【IPC分類】C30B29/06, C30B13/20
【公開(kāi)號(hào)】CN104975340
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510161991
【發(fā)明人】G·布倫寧格, W·施泰因, M·黑伯倫
【申請(qǐng)人】硅電子股份公司
【公開(kāi)日】2015年10月14日
【申請(qǐng)日】2015年4月7日
【公告號(hào)】DE102014207149A1, EP2933358A1, US20150292109